Algorithms and architectures for the detection of MIMO signals

par Micaela Troglia Gamba

Thèse de doctorat en Sciences et technologies de l'information et de la communication

Sous la direction de Michel Jézéquel.

  • Titre traduit

    Algorithmes et architectures pour la détection des signaux MIMO


  • Résumé

    Les systèmes multi-antennes (Multiple-Input Multiple-Output: MIMO) représentent une technologie clé pour le déploiement de systèmes de communication sans fil. Cependant, la complexité des détecteurs MIMO de haut débit pose un problème sérieux de mise en oeuvre. Parmi les détecteurs MIMO existants, l’algorithme nommé détecteur à sphère (Sphere Decoder Algorithm: SDA) a vu le jour pour réduire la complexité de traitement par rapport à la technique de détection originale basée sur le maximum de vraisemblance (ML). En outre, il a été démontré que SDA atteint des performances optimales pour les systèmes non codés. Toutefois, pour les systèmes codés, d’autres simplifications dans l’algorithme de détection peuvent être utilisées sans altérer les performances en taux d’erreur. Dans ce contexte, le SDA peut être modifié afin de prévoir une détection basée sur des informations pondérées. LSD (List-Sphere Decoder) a été introduit comme une version à entrées/sorties pondérées de la version SDA originale. Ce travail de thèse traite les aspects algorithmique, architectural et de mise en oeuvre de la détection MIMO basée sur SDA et LSD. Le principal objectif est de proposer des solutions de mise en oeuvre de faible complexité, tout en considérant les exigences des systèmes de communication numérique en termes de débit, de flexibilité et de taux d’erreurs. En particulier, la première contribution est représentée par une amélioration de SDA, ce qui permet une augmentation significative du débit avec une complexité supplémentaire très limitée et sans dégradation en termes de performance en taux derreurs binaires. La méthode de détection proposée, appelée LASDA (Look-Ahead SDA), est basée sur des transformations formelles, à savoir Look-Ahead, recalage et pipeline et sur une stratégie modifiée de recherche arborescente. Une conception efficace de type VLSI du détecteur LASDA supportant un system MIMO 4x4 avec une modulation MAQ-16 est proposée. La deuxième contribution concerne une étude détaillée sur la flexibilité et la convergence de la détection itérative. Deux détecteurs à entrées/sorties pondérées (Soft-Input Soft-Output: SISO) sont considérés: LSD et un filtrage linéaire de faible complexité (Linear Minimum-Mean-Square-Error-Interference-Canceller (MMSE-IC)). Des diagrammes de transfert d’information mutuelle (EXIT charts) sont développés. Cette analyse est orientée pour obtenir les compromis possibles entre complexité et performance pour une implémentation matérielle flexible. La dernière contribution est liée à la conception d’un processeur à jeu d’instructions dédié à l’application (Application-Specific Instruction-set Processor (ASIP)) pour un détecteur SISO LSD. L’ASIP proposé supporte différentes configurations MIMO (2x2, 3x3, 4x4) et différents ordres de modulation (QPSK, MAQ-16, MAQ-64) en plus d’une taille de liste flexible (1 à 64 éléments).


  • Résumé

    Multiple Input Multiple Output (MIMO) systems are recognized as a key enabling technology in high performance wireless communications. However the complexity of high throughput MIMO detectors poses a serious implementation issue. Among known MIMO detectors, Sphere Decoder Algorithm (SDA) has emerged to reduce the processing complexity, with respect to the original Maximum Likelihood (ML) detection. Moreover, it has been demonstrated that the SDA achieves optimal performance for uncoded systems. However, for coded systems, further simplifications in the detection algorithm can be used without altering the error rate performance if iterative detection and channel decoding is adopted in the receiver. Such an iterative processing with a channel decoder offers significant improvement in error-rate performance for a reduced signal-to-noise ratio. In this context, the SDA can be further simplified and modified in order to provide soft detection: “List Sphere Decoder” (LSD) has been introduced as a soft version of the original SDA. This research thesis focuses on algorithmic, architectural and implementation aspects of the “ Sphere Decoder Algorithm” and the “List Sphere Decoder”. The main objective of the conducted work is to propose area-efficient implementation solutions while considering throughput, flexibility, and error rate performance requirements of advanced digital communication systems. In particular, the first contribution is represented by an improved SDA, which enables significant throughput increase at a very limited additional complexity and with no degradation in terms of Bit Error Rate performance. The proposed detection method, called LASDA (Look–Ahead SDA) is based on formal algorithm transformations, namely look–ahead, retiming and pipelining, besides a modified tree search strategy. An efficient VLSI design of LASDA detector supporting a 4x4 MIMO channel with 16QAM modulation is proposed. Synthesis results for a 130 nm technology are detailed. The second contribution concerns a detailed study on flexibility and convergence of iterative detection and channel decoding. In this regard, two Soft-Input Soft-Output detectors are considered: List Sphere Decoding and a low complexity linear filtering (Linear Minimum-Mean-Square-Error-Interference-Canceller (MMSE-IC)). Extrinsic Information Transfer (EXIT) charts are developed. This analysis is oriented to obtain possible performance-complexity trade-offs for a flexible hardware implementation. The last contribution is related to the proposal and design of an Application-Specific-Instruction set-Processor (ASIP) for SISO List Sphere Decoding. The proposed ASIP supports different MIMO system configurations (2x2, 3x3, 4x4) and modulation orders (QPSK, 16QAM, 64QAM) besides a flexible list size (from 1 to 64 elements). Synthesis results for a 130 nm technology are detailed.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (164 p.)
  • Notes : Reproduction autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. Index

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 8.428 GAMB
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